JP2000301355A - 同種金属部材の共晶圧接方法及び共晶圧接用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 同種金属部材（特に、低融点アルミニウム合
金）の共晶圧接方法、及び共晶圧接用装置を提供する。 【解決手段】 共晶圧接方法は、第１及び第２金属部材
１，２の接合用端面１ａ，１ｂの間にインサート材３を
挟んで固定し、各接合用端面間の距離を維持したままの
状態で加熱し、共晶反応完了推定時間の経過後に、接合
面から融解液を排除する。共晶圧接用装置は、第１金属
部材１の第１固定手段１、第２金属部材２の第２固定手
段２、各固定手段を移動／停止させ、各固定手段に固定
した第１及び第２金属部材の各接合用端面１ａ，２ａの
距離を制御する移動停止手段、加熱手段３０、及び共晶
反応完了推定時間の計時手段を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、同種金属部材（特
に、低融点アルミニウム合金）の共晶圧接方法、及び共
晶圧接用装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】２つのパイプの端面同士を接合してパイ
プ継手を形成する際に、共晶圧接を利用する技術が従来
から知られている。この技術は、特に、銅管とアルミニ
ウム管との組合せのような異種金属管のパイプ継手の製
造法として昭和５０年代に開発された。この共晶圧接法
では、具体的には、２つの管の端面同士が接触した部分
に共晶反応を発生させて２つの管を接合させる。例え
ば、特開昭５４−１３３４５０号公報には、アルミニウ
ム管と銅管との接触面を高周波誘導加熱して、前記接触
面に共晶反応による共晶融液を形成させ、共晶融液の形
成後に前記接触面に向かって圧力を加えて前記融液相を
接合面から排出し、そして、前記融液を排除した後の接
合部を急速冷却して、異種金属を接合する方法が記載さ
れている。この共晶圧接法で利用する共晶反応は、両方
の母材金属の融点よりも低い温度で起きる。例えば、銅
管とアルミニウム管との組合せの場合に、銅とアルミニ
ウムとの共晶反応は５４８℃で起き、これは、アルミニ
ウムの融点（６６０℃）及び銅の融点（１０８３℃）よ
りも低い。従って、溶接のように母材金属それ自体を溶
融させる方法とは異なり、共晶圧接法では母材金属が溶
融されないので、加工プロセスが安定し、製品の歩留ま
りも優れている。

【０００３】前記の共晶反応を利用して同種金属管（例
えば、アルミニウム管とアルミニウム管）のパイプ継手
を製造する方法も、前記の異種金属管のパイプ継手の製
造法とほとんど同時期に開発されている（例えば、特開
昭５５−５７３８８号公報参照）。アルミニウム管同士
のパイプ継手を製造する場合には、２つのアルミニウム
管の間にインサート材（特にアルミニウムとシリコンと
の合金箔）を介在させる。接触部を加熱すると、アルミ
ニウム母材の表面層が溶け出して共晶融液が生成され、
加圧によって融液を排除するとアルミニウム同士が直接
接合される。この接合方法によれば、特別な前処理、保
護雰囲気、及びフラックスを使用せずに、しかも大気圧
下での処理により酸化皮膜を除去して強固な接合構造を
生成することができる。

【０００４】こうした従来の共晶圧接方法では、異種金
属管の接合でも、同種金属管の接合でも、２本のパイプ
を水平方向に横にした状態で、加圧下で加熱することに
より共晶反応を起こさせていた。例えば、アルミニウム
管同士の接合では、接合すべき２つのアルミニウム母材
間にインサート材を介在させ、母材の塑性変形応力以下
の接触圧力で押圧し、その接触圧力が加えられている状
態で接触部を加熱して共晶反応を起こさせる。前記の接
触圧力下で加熱を開始すると、初期段階では母材やイン
サート材の熱膨張による伸びが生じるが、共晶反応が始
まると母材及びインサート材の急激な溶け出しによって
逆方向（縮む方向）の変位が生じる。この変位は、例え
ば、位置センサーによって簡単に検出することができる
ので、接合に必要な変位量に達した時点で加熱を停止し
て、より強い圧力による２次加圧を行い、共晶融液など
の溶融液を接合面から排除し、アルミニウム同士の接合
を実現することができる。こうして、加圧下で加熱する
ことにより、母材などの温度管理を行うことなく、簡便
な変位検出によりプロセスの自動管理を可能にしてい
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術によるアルミニウム管同士の共晶圧接方法は、
母材が純アルミニウムのような高融点金属からなる場合
に適用可能なだけであり、ダイカスト用アルミニウム合
金や鍛造用アルミニウム合金などのような低融点金属製
の部材の共晶圧接には利用することができない。すなわ
ち、低融点アルミニウム合金は、純アルミニウム管同士
の共晶圧接方法においてインサート材として使用されて
いる合金であり、接合すべき母材自体の融点がそもそも
低い。また、低融点アルミニウム合金製の部材同士の共
晶圧接において、低融点アルミニウム合金同士の直接接
合を実現するには、接合面からインサート材を除去する
必要があるが、そのためには、低融点アルミニウム合金
の融点よりも更に低い融点を有するインサート材を使用
する必要がある。このように、低融点の母材と、それよ
りも低融点のインサート材との組合せで行う共晶反応に
おいては、共晶温度とインサート材の融点との温度差が
必然的に小さくなる。この組合せで、従来法と同様に、
加圧下で加熱すると、共晶温度に達するのとほぼ同時に
インサート材の融点にも達するので、共晶反応が起きる
のとほぼ同時にインサート材も溶融する。接触面には圧
力が加わっているので、共晶反応が充分に進行する前
に、インサート材溶融液が接触面から排除されてしま
い、共晶反応が充分に進行しないことになる。アルミニ
ウム製品としては、ダイカスト用アルミニウム合金や鍛
造用アルミニウム合金などの低融点アルミニウム合金が
広く利用されており、これらの製品に対しても共晶圧接
を利用した接合法の開発が求められていた。従って、本
発明の課題は、低融点金属母材（特には低融点アルミニ
ウム合金母材）からなる部材にも適用可能な共晶圧接技
術を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題は、本発明によ
る、同種金属部材の共晶圧接方法であって、（１）第１
の金属部材の接合用端面と、第２の金属部材の接合用端
面との間に、それらの各金属部材と共晶反応を起こすこ
とのできるインサート材を配置し、（２）前記各接合用
端面によって前記インサート材を挟んで固定し、（３）
前記各接合用端面間の距離を維持したままの状態で、前
記の接合用端面とインサート材とを含む接合領域を前記
金属部材の融点よりも低く、共晶温度以上の温度に加熱
し、（４）共晶反応完了推定時間の経過後に、第１の金
属部材と第２の金属部材との間隔を狭くする方向に加圧
して接合面から融解液を排除する、ことを特徴とする、
前記の同種金属部材の共晶圧接方法によって解決するこ
とができる。また、本発明は、（１）接合用端面を露出
した状態で第１の金属部材を固定することのできる第１
の固定手段、（２）第１の金属部材の接合用端面と対向
して、第２の金属部材の接合用端面を露出した状態で第
２の金属部材を固定することのできる第２の固定手段、
（３）第１の固定手段と第２の固定手段とを相対的に移
動及び停止させて、第１の固定手段に固定した第１の金
属部材の接合用端面と、第２の固定手段に固定した第２
の金属部材の接合用端面との距離を制御する移動停止手
段、（４）接合領域の加熱手段、及び（５）共晶反応完
了推定時間の計時手段を含むことを特徴とする、共晶圧
接用装置に関する。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明は、同種金属部材の接合に
一般的に利用することができるが、低融点金属部材、特
に低融点アルミニウム合金部材の接合に適している。低
融点金属部材としては、例えば、融点が６００℃以下の
金属製の部材、例えば、低融点アルミニウム合金部材な
どを挙げることができる。また、低融点アルミニウム合
金部材としては、例えば、鋳造加工品（例えば、砂型鋳
造、金型鋳造、精密鋳造、低圧鋳造、又はスクイズキャ
スティングなどの加工品）、ダイカスト加工品、又は鍛
造加工品を挙げることができる。

【０００８】接合すべき金属部材の形状も、接合用端面
が相互に同一形状を有しているかぎり、特に限定される
ものではなく、従来の共晶圧接法でも接合されていた長
尺状パイプのみでなく、一対の中空若しくは非中空の円
柱体部材、一対の中空若しくは非中空の角柱体部材、一
対の中空若しくは非中空の半円球部材、又は一対の中空
若しくは非中空の半楕円球部材であることができる。

【０００９】インサート材としては、その融点が、母材
金属（特に、低融点アルミニウム合金）との共晶温度よ
りも可能なかぎり高く、しかも母材金属（特に、低融点
アルミニウム合金）の融点よりも可能なかぎり低い温度
で、母材金属（特に、低融点アルミニウム合金）と共晶
反応を起こす金属又は合金を使用する。また、インサー
ト材としては、共晶反応による母材金属（特に、低融点
アルミニウム合金）の溶け出し量の多い金属又は合金が
好ましい。更に、母材金属（特に、低融点アルミニウム
合金）の融点よりも低い融点を有する金属又は合金から
なるインサート材が好ましい。低融点アルミニウム合金
部材のインサート材としては、例えば、亜鉛を好適に用
いることができる。

【００１０】インサート材は、母材との接触面で共晶反
応を起こし、共晶融液を除去した後にも母材間に残存さ
せて、母材／インサート材／母材の３層の接合構造とす
ることもできるが、共晶融液と共に接合面から排除さ
せ、母材同士を直接に接合させる方が好ましいので、共
晶融液と共に接合面から排除させることのできる量（例
えば、箔状）で使用するのが好ましい。

【００１１】次に、添付図面に沿って、本発明の一態様
を具体的に説明する。図１は、本発明装置を用いて本発
明方法を実施する場合の工程を分解して示す説明図であ
る。この態様では、一方の端部が開放し、他方の端部が
蓋で閉鎖されている一対の円筒状部材１，２をそれらの
開放端面同士で接合させる。最初に、適当な基台（図示
せず）上に載置した第１固定手段、すなわち、下部クラ
ンプ１０で、接合すべき第１金属部材１を固定する。そ
の際、第１金属部材１の接合用端面１ａを上方へむけて
露出させる。下部クランプ１０は、例えば、ハンドル１
１の回転によりスライドする可動片１２と固定端片１３
とからなることができる。下部クランプ１０の固定間隙
１４を開いた状態にし、その中へ前記の第１金属部材１
を挿入し、ハンドル１１を回転させて可動片１２を固定
端片１３方向へスライドさせ、可動片１２と固定端片１
３とにより第１金属部材１を固定する。なお、下部クラ
ンプ１０は、後述する上部クランプ２０と同様に、２つ
の可動片からなることもできる。

【００１２】続いて、第１金属部材１の接合用端面１ａ
上に、インサート材３を載せる。インサート材３は、接
合用端面１ａの形状に合わせてリング状とする。インサ
ート材３の載置は、適当な載置手段（図示せず）を用い
て実施することもできる。また、接合用端面１ａの内側
円周上に突出したストッパー壁部１ｂを設けることがで
きる。こうしたストッパー壁部１ｂが存在すると、共晶
融液の排除工程を実施した場合に、共晶融液が接合部材
の外側壁面にのみ排出され、内側壁面には排出されな
い。外側壁面上に排出されて固化した鋳バリは容易に除
去することができるが、内側壁面上に排出されて固化し
た鋳バリは除去するのが困難な場合もあるので、共晶融
液を外側壁面にのみ排出させるのが好ましい。外側壁面
上に排出されて固化した鋳バリは、そのまま残しても、
除去してもよい。

【００１３】次に、上昇／下降可能な加熱手段３０を降
下させる。加熱手段３０はコイル部３１と高周波発振装
置３２とを含み、第１固定手段（下部クランプ）１０と
第２固定手段（上部クランプ）２０との間を、矢印Ａの
方向へ上昇及び下降して、接触部を加熱することができ
る。加熱手段３０を降下させ、接合用端面１ａの外側に
コイル部３１を配置させる。加熱手段は前記高周波誘導
加熱に限定されるものではなく、例えば、バーナー炎加
熱などを使用することもできる。均一に加熱することが
できるので高周波誘導加熱を利用するのが好ましい。

【００１４】本発明装置の上部に設けた第２固定手段、
すなわち、上部クランプ２０では、接合すべき第２金属
部材２を固定する。その際、第２金属部材２の接合用端
面２ａを下方へむけて露出させる。上部クランプ２０
は、例えば、適当な駆動手段（図示せず）によりスライ
ドする可動片２１，２２からなることができる。上部ク
ランプ２０は、その固定間隙２３を開いた状態にして、
適当な台上に置いた前記の第２金属部材２を上部から覆
い、可動片２１，２２の間隔を狭めることにより第２金
属部材２を固定する。この上部クランプ２０は、前記の
下部クランプ１０と同様に、可動片と固定端片とからな
ることもできる。第２金属部材２は、矢印Ｂの方向へ上
昇／下降が可能である。

【００１５】第２金属部材２を固定した上部クランプ２
０を降下させ、第２金属部材２の接合用端面２ａをイン
サート材３と接触させ、インサート材３を第１金属部材
１の接合用端面１ａと第２金属部材２の接合用端面２ａ
とで上下から挟む。この際、各接合用端面１ａ，２ａと
インサート材３の表面との完全な密着を保証するため、
インサート材３の厚さが、例えば、最初の約８０％にな
るまで、第２金属部材２の接合用端面２ａを第１金属部
材１の接合用端面１ａ方向へ降下させることもできる。

【００１６】本発明においては、第１金属部材１の接合
用端面１ａと第２金属部材２の接合用端面２ａとの間隔
を上記のように決定した後は、共晶反応が終了するまで
前記の間隙の距離が変化しないように第２金属部材２の
位置を固定する。こうした固定は、例えば、任意の位置
で停止可能な油圧シリンダーを利用して実施することが
できる。

【００１７】本発明においては、第２金属部材２の位置
を固定して動かさない状態で、加熱手段３０により接触
部を加熱する。加熱温度は、前記金属部材１，２の融点
及びインサート材３の融点よりも低く、共晶温度以上の
温度とすることが好ましいが、前記金属部材１，２の融
点よりも低く、共晶温度以上の温度であるかぎり、精密
な温度制御を行う必要はない。仮に、インサート材３の
融点と共晶温度との差異が小さく、前記の加熱工程にお
いてインサート材３が溶融しても、溶融インサート材３
が第１金属部材１の接合用端面１ａ上に保持されるから
である。すなわち、本発明においては、溶融したインサ
ート材が、一方の（下側の）金属部材の接合用端面上に
保持され、重力によって接触面から落下しないように、
接合用端面が水平方向に固定されるように各手段を配置
するのが好ましい。なお、各接合用端面１ａ，２ａとイ
ンサート材３の表面との完全な密着を保証するために、
第２金属部材２の接合用端面２ａを第１金属部材１の接
合用端面１ａ方向へ降下させてインサート材３の厚さを
減少させた場合でも、溶融インサート材３の表面張力に
より、溶融インサート材３が接合部から落下することは
ない程度とすることが好ましい。

【００１８】本発明においては、共晶反応の進行を、時
間、すなわち、共晶反応完了推定時間によって判断す
る。共晶反応完了時間は、個々の金属部材及びインサー
ト部材の組合せに対して、予めパイロット試験を実施
し、接合面の評価を行うことにより推定することができ
る。また、前記の共晶反応完了推定時間による制御を行
うために計時手段（タイマー）及び適当な自動制御手段
を用い、更に、その計時手段からの信号に基づいて、自
動制御手段を介して第２固定手段（上部クランプ）によ
る加圧を自動制御することができる。

【００１９】予め行うパイロット試験によって決定した
共晶反応完了推定時間が経過した後に、加熱を停止し、
第２金属部材２の接合用端面２ａを第１金属部材１の接
合用端面１ａ方向へ降下させ、接合部を加圧して、共晶
融液や母材からの融液、更にはインサート材の融液を接
合面から除去する。接合部の冷却が終了した後、上部ク
ランプ２０の可動片２１，２２の間隔を開いて接合品を
開放し、上部クランプ２０を上方へ上昇させ、更に加熱
手段３０も上方へ上昇させ、続いて下部クランプ１０の
可動片１２をスライドさせて接合品を開放する。

【００２０】本発明を利用して長尺状パイプを接合する
場合には、下部クランプ１０の底面及び上部クランプ２
０の上面にそれぞれ開口部を設け、それらの開口部を通
過させて固定した端部同士をインサート材を介して接触
させることによって接合することができる。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、同種金属部材の共晶圧
接法において、インサート材が溶融する場合でも充分な
共晶反応を行わせて、充分な強度を有する接合構造を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置を用いて本発明方法を実施する場合
の工程を分解して示す説明図である。

【符号の説明】

１，２・・・金属部材；１ａ，２ａ・・・接合用端面；
１ｂ・・・ストッパー壁部；３・・・インサート材；１
０・・・下部クランプ；１１・・・ハンドル；１２・・
・可動片；１３・・・固定端片；１４・・・固定間隙；
２０・・・上部クランプ；２１，２２・・・可動片；２
３・・・固定間隙；３０・・・加熱手段；３１・・・コ
イル部；３２・・・高周波発振装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同種金属部材の共晶圧接方法であって、
   （１）第１の金属部材の接合用端面と、第２の金属部材
   の接合用端面との間に、それらの各金属部材と共晶反応
   を起こすことのできるインサート材を配置し、（２）前
   記各接合用端面によって前記インサート材を挟んで固定
   し、（３）前記各接合用端面間の距離を維持したままの
   状態で、前記の接合用端面とインサート材とを含む接合
   領域を前記金属部材の融点よりも低く、共晶温度以上の
   温度に加熱し、（４）共晶反応完了推定時間の経過後
   に、第１の金属部材と第２の金属部材との間隔を狭くす
   る方向に加圧して接合面から融解液を排除する、ことを
   特徴とする、前記の同種金属部材の共晶圧接方法。
2. 【請求項２】 （１）接合用端面を露出した状態で第１
   の金属部材を固定することのできる第１の固定手段、
   （２）第１の金属部材の接合用端面と対向して、第２の
   金属部材の接合用端面を露出した状態で第２の金属部材
   を固定することのできる第２の固定手段、（３）第１の
   固定手段と第２の固定手段とを相対的に移動及び停止さ
   せて、第１の固定手段に固定した第１の金属部材の接合
   用端面と、第２の固定手段に固定した第２の金属部材の
   接合用端面との距離を制御する移動停止手段、（４）接
   合領域の加熱手段、及び（５）共晶反応完了推定時間の
   計時手段を含むことを特徴とする、共晶圧接用装置。